長江干堤典型管涌險情成因分析及對策研究

崔皓東，陸 齊，陳勁松，盛小濤，張 偉

（1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北武漢 430010；2.安慶市長江河道管理處，安徽安慶 246003）

1 研究背景

洪水是有史以來人類面臨的最大威脅之一，長江中下游又曾是洪災頻發地區。2020年長江遭遇了近幾年最嚴重的洪水，其中城陵磯站水位超警戒持續時間長達60 d，居新中國成立以來第3位，僅次于1998年和1954年；最高水位達34.74 m，為21世紀第二高水位。2020年長江干堤險情相對較少，得益于1998年洪水后長江堤防達標建設及三峽水庫的精細調度，但仍有部分管涌險情、井險及老舊涵閘險情等發生。

管涌是長江堤防最常見的險情，據1998年災后統計，長江干堤及洞庭湖區較大險情中，管涌占比超過50%［1］。截至2020年7月20日，長江干堤湖北段管涌險情占比56%，出險點距堤腳60～490 m。湖南、江西及安徽等地險情也以管涌居多。

筆者在2020年防汛時發現，長江干堤管涌險情的明顯特點是，出險點多為農田溝渠內或老舊減壓井附近，如洪湖長江干堤復糧洲村距堤腳490 m的田邊溝渠、洪湖新灘口鎮上北洲稻田灌溉渠、九江濟益公堤豬婆凼排水明渠內等均發現管涌。而岳陽君山垸瓦灣村管涌則發生在減壓井附近，黃州長孫堤因減壓井失效引發險情。

長江堤防多填筑在第四系松散堆積物上，部分堤基土具有二元結構特點，上部以沖積成因的黏性土為主，下部則為砂及砂卵（礫）石層，厚度大，分布穩定［2］。汛期外江高水位經滲流作用，在堤內地層內形成承壓水，使表層較薄的無黏性土或少黏性土體中的細小顆粒發生移動或被滲流帶出形成管涌，近堤腳管涌若不能及時發現處理，會危及堤防安全。實際上，管涌險情發生是滲透比降超土層允許比降所致［3-4］。本文以長江干堤岳陽瓦灣段管涌險情為例，利用歷史資料和現場調查，根據該段地質條件及滲控措施，建立了三維滲流有限元模型，重點模擬減壓井失效及功能發揮工況下，該段地層內滲透比降分布特征，揭示該處管涌險情成因，并探討相應處理對策，為類似堤段汛后除險加固提供參考。

2 管涌險情成因分析

2.1 長江干堤岳陽瓦灣段概況

岳陽長江干堤位于長江中游湖南省岳陽市境內，上起華容縣五馬口，下止黃蓋湖農場鐵山咀，總長137 km，全線干堤為多年加高培厚形成，堤基地質條件復雜。1998年洪水期間，該堤段出現數十處管涌、散浸及崩岸險情。1998年洪水后進行了加固處理，主要有垂直防滲、壓浸平臺及減壓井等工程措施。

長江干堤瓦灣段（樁號63+288～63+788）屬于岳陽長江干堤君山垸堤段，地層根據SL 188-2005《堤防工程地質勘察規程》［5］分類屬于為C類，堤基為Ⅱ1，為典型的薄覆蓋層+深厚粉細砂層二元結構，易發生管涌。2000年主要采取了堤內壓浸平臺+減壓井的治理措施，以防止管涌發生。但是，在近幾年汛期，當江水位達到34.5 m以上時，瓦灣段范圍內堤防出現過散浸、管涌等險情。2020年7月6日起，該堤段水位超警期間出現管涌、管涌群等險情，出險點均在現壓浸平臺外的農田溝渠里（見圖1和圖2）。

圖1 瓦灣段管涌險情分布位置示意

圖2 出險點位于農田溝渠

圖3 瓦灣段堤防典型橫斷面示意

2.2 瓦灣段堤防三維滲流模型及參數

根據現場查勘與歷史資料，瓦灣段干堤在2001年加固后已達到二級堤防標準。根據當時設計，堤身錐探灌漿結合外堤坡土工膜防滲，堤腳設寬60 m的壓浸平臺+減壓井（間距30 m）滲控體系。但減壓井運行已20 a，根據當前堤防管理現狀，隨著時間的推移，減壓井不可避免地會發生淤堵并失效［6-9］。鑒于此，選擇典型堤段（樁號63+400，見圖3）建立堤防及減壓井三維滲流模型（見圖4），模擬減壓井失效或發揮功能條件下，堤內薄層弱透水層內滲透比降特征，以揭示管涌發生的原因。

圖4 堤防三維滲流模型

模型范圍堤外取200 m，堤內距堤腳350 m，堤基取至高程-40 m，順堤140 m；減壓井口高程28.8 m，井徑45 cm，深30 m，井間距30 m，采用對稱模型；格節點總數10 294個，單元總數9 705個。表層粉質壤土厚約3 m，滲透系數2.8×10-5cm/s，下部深厚粉細砂層為7.4×10-3cm/s。

本文采用長江科學院自主研發軟件SFA中SSC-3D模塊模擬。該方法通過有限元網格按實際尺寸刻畫減壓井，按溢流型排水孔算法進行模擬［10］，該方法可精細模擬減壓井真實尺寸及三維效應，具體算法此處不再贅述。

在堤防工程中，減壓井作為最有效的排水減壓措施，應用較為廣泛，根據以往研究可知［11-12］，有減壓井堤段若減壓井不發生淤堵失效，可顯著改善堤內滲流場分布，基本不會發生管涌險情。另根據2020年汛期瓦灣段部分減壓井基本不出水的狀況，可初步認為，發生管涌極可能與減壓井淤堵失效有關。

鑒于此，本文在管涌成因分析中，根據2020年城陵磯站最高水位34.74 m，建立該段滲流模型。通過滲流有限元精細模擬手段，量化分析考慮減壓井失效和功能正常發揮兩種工況，進行對比模擬分析，方案見表1。方案F1模擬減壓井完全失效，方案F2則是其功能完全恢復，通過兩口減壓井之間剖面最大比降來對比分析滲透比降變化特征。

表1 岳陽長江干堤瓦灣段堤防滲流模擬工況

2.3 瓦灣段堤防三維流場特征分析

方案F1模擬在洪水位達33.74 m條件下減壓井失效工況，堤基流場分布見圖5，總體上，由于江內深弘切割砂層出露，外江水位較高時通過堤基下部砂層向堤內快速滲透，在堤內薄層覆蓋的沙壤土內形成承壓水，堤內薄層覆蓋層內水頭等值線密集分布，其比降達0.53～0.66（見表2），均超表層粉質壤土允許比降0.5，與除險加固前比降分布特征基本一致［13］。從該工況可以看出，距壓浸平臺坡腳300 m處仍可能發生管涌險情。

圖5 方案F1減壓井失效狀態下堤防流場分布

方案F2減壓井按30 m間距考慮，堤內流場分布與方案F1有顯著不同，流場水頭等值線在減壓井附近分布密集，這也是減壓井排水減壓效果較好的體現（見圖6）。相比方案F1，方案F2井間對稱剖面比降顯著降低，其中壓浸平臺腳位置減小約64%，其他部位也都有不同程度的降低，堤內比降最大僅為0.37，均小于允許比降，這種狀態下，堤內基本不會發生管涌險情。該工況下減壓井出水量約10 m3/h，接近黃海口堤新型減壓井同期出水量。

圖6 方案F2減壓井功能恢復狀態下堤防流場分布

表2 岳陽長江干堤瓦灣段典型工況比降分布特征

2.4 減壓井影響范圍分析

長江堤防堤基C、D類地層堤段，設置減壓井是最為有效的滲控措施，但減壓井間距設置多少合適，需要采用試驗或者數值模擬進行事先分析，從安全和經濟角度選擇最合適的減壓井間距，為堤防減壓井設計提供科學依據。針對此類問題，長江科學院早在1960年就利用三維電模擬試驗進行過量化研究［14］，本文采用精細有限元模擬，通過不同剖面可以清晰展示該類地層條件下，減壓井排水減壓效果及影響范圍（見圖7和圖8）。

圖7 兩口降壓井流場分布（順堤向）（單位：m）

圖8 27.5 m高程流場分布（平切圖）

通過模型不同方向和高程平切圖可知，隨著遠離井中心位置，表層弱透水覆蓋層內比降明顯增加，距井中心約20 m處，表層最大比降已達0.24。結合表2可知，距離堤腳較遠處比降最大為0.37。由此可基本確定，該類地層在設計洪水位條件下，減壓井有效影響半徑約為20 m，從安全考慮，井間距按30 m布置是合理的。

2.5 瓦灣段管涌險情成因分析

管涌險情發生首先要考慮地層因素，綜合以上模擬結果并結合水位和地層條件，長江干堤岳陽瓦灣段堤內薄層弱透水地層下伏深厚滲透強透水砂層，屬于長江中下游典型的二元結構地層，該類地層堤段也是歷史上的險工險段。

根據地層條件并結合以上模擬分析可知，2020年瓦灣段管涌險情產生的最直接原因是減壓井失效，無法消減堤內薄層覆蓋層內滲透壓力；其次是人類活動致使堤內地層出現相對薄弱點（如無反濾措施的農田溝渠），進一步削弱了該處承擔承壓水能力，滲透比降增大，使得管涌直接在該處發生。

3 管涌典型險情處理對策探討

長江干堤岳陽瓦灣段與荊南長江干堤、洪湖新灘口堤、黃岡長生堤、黃石海口堤、安慶江堤等部分堤段地層結構較為類似，屬于典型的二元結構地層，歷史上多次出現管涌險情，至今部分堤段仍有管涌險情出現（見圖9和圖10）。

圖9 洪湖市新灘口鎮上北洲稻田溝渠內管涌群（2020年7月）

圖10 黃岡市孫鎮村孫家咀管涌群（2020年7月）

長江堤防險工段一般歷經多次除險加固處理，如吹填壓浸、填塘固基、堤基防滲墻等措施，此類措施可有效控制堤身散浸及堤內一定范圍的管涌，但如遠處有相對薄弱缺陷或者溝渠，即使千米遠也可能出現管涌險情。該類地層下部為強透水砂層，很難從根本上消除管涌隱患。另外，防滲墻不同程度截斷含水層與江水的水力聯系，可能對地下水環境產生影響。

根據前人治水經驗，“前堵后排”是治理承壓水危害的最有效方法，而減壓井恰恰是排水減壓的有效措施。我國早在20世紀50年代開始采用減壓井治理堤防險情，取得較好的效果。但減壓井淤堵是客觀存在且難以避免的［11］。根據調查分析，長江科學院總結經驗教訓，從減壓井淤堵機理出發［6-9］，提出了新型可拆換減壓井［11-12］，可根據減壓井運行狀況更換濾芯，使其恢復排水減壓功能。從荊南長江干堤李家花園段新型減壓井（2001年建成已運行20 a，2020年汛期單井出水量仍約2～3 m3/h）、陽新長江干堤新型減壓井運行情況（2017建成，2020年單井出水量約10 m3/h）可知，這種新型減壓井只要適當維護，基本可以永久消除管涌隱患。

綜上分析，典型管涌險情處理對策建議如下。

（1）堤內一定范圍應避免開挖農田溝渠，保證二元結構地層上層覆蓋層不被削弱；若出現管涌險情應及時做反濾導滲或蓄水反壓，以防險情發展。

（2）經驗表明，要加強對減壓井的日常維護及監測。已建傳統或新型減壓井堤段，采取汛前檢查應按比例抽檢、結合井下電視或抽水試驗檢查淤堵情況、汛前洗井、失效井重建新型井、新型減壓井更換濾芯等方式，可避免減壓井功能減退而發生管涌險情。

（3）如堤基為典型二元結構地層，下伏砂層較厚，采用技術成熟的新型減壓井技術除險加固，是較為合適的選擇。

（4）減壓井作為防洪工程，相比其他措施具有投資少、效果好特點，應參照水閘泵站等工程進行日常維護，這對其工程性能發揮具有決定意義。

（5）可采用智能化技術，重點監測汛期減壓井出水情況，及時掌握減壓井狀態，為防汛搶險及汛后維護提供依據。

4 結論

（1）長江干堤岳陽瓦灣段管涌險情屬于減壓井失效直接導致農田溝渠薄弱點出險。

（2）研究可知，瓦灣段減壓井影響半徑約20 m，此類堤段減壓井間距不宜大于30 m。

（3）新型減壓井可以更換濾芯，屬長效減壓井，如正常維護，基本可以消除二元結構地層管涌險情風險。

（4）減壓井作為防洪工程，應參照水閘、泵站工程進行日常維護，特別是汛前檢查應加強減壓井淤堵情況摸底，及時洗井清淤或更換濾芯。